Il Futuro dell Auto. ENEA XV E.P. Emissioni da trasporto su strada. Ing. Francesco Caracciolo UNRAE. Roma, 29/04/2010

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1 Il Futuro dell Auto ENEA XV E.P. Emissioni da trasporto su strada Ing. Francesco Caracciolo UNRAE Roma, 29/04/2010

2 date 07/05/ page 2 Industria dell auto Qualità dell aria Fonti energetiche Incertezze politiche Competitività Costo e disponibilità materie prime Industria dell auto Effetto serra Legislazioni Globalizzazione Economia e diversità dei mercati Sviluppo sostenibile Rapido sviluppo di nuove tecnologie

3 date 07/05/ page 3 Rapido sviluppo di nuove tecnologie Auto super efficienti (diesel, benzina, carburanti alternativi) Elettriche Elettrico puro Idrogeno IBRIDE

4 date 07/05/ page 4 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

5 date 07/05/ page 5 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

6 date 07/05/ page 6 Le emergenze ambientali ed energetiche Qualità dell aria Aumento delle emissioni di inquinanti (NOx, CO, HC) Regolamentazione delle emissioni Espansione ai paesi in via di sviluppo Variazione del clima Aumento CO2 Standard di vita Fabbisogno energetico Mix energetico Petrolio, Nucleare, Gas naturale, Carbone Energie rinnovabili Fonte: Toyota Motor Corporation

7 date 07/05/ page 7 Variazione del clima Densità CO 2 (ppmv) Ridurre le emissioni di CO 2 è cruciale per lo sviluppo Obiettivo IPCC: Anno Fonte: IPCC

8 date 07/05/ page 8 In particolare per la CO 2

9 date 07/05/ page 9 Direttive Euro

10 date 07/05/ page 10 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

11 date 07/05/ page 11 Motori ad accensione comandata Il motore a benzina sta vivendo nuovamente un periodo di giovinezza, presentando indubbi vantaggi in termini di emissioni di particolato (PM 10 PM 2,5, PM 1 ) rispetto ai diesel. I miglioramenti saranno essenzialmente diretti a migliorarne il consumo specifico, la qualità delle emissioni e la guidabilità. La modalità di combustione assomiglierà sempre più a quella dei diesel Aree di sviluppo Fasatura ed alzata variabile della distribuzione Iniezione diretta o mista (diretta + indiretta) Turbocompressori a geometria variabile e doppio stadio anche su piccole cilindrate Down-sizing CHI (Controlled Auto Ignition) HCCI (Homogeneus Charge Compression Ignition) LTC (Low Temperature Ignition)

12 date 07/05/ page 12 Motori Diesel I motori diesel sono intrinsecamente più efficienti dei motori a benzina anche se la loro complessità e costo è destinata ad aumentare sempre più per rispondere alle normative del prossimo futuro. Le normative sulle emissioni Euro V ed, in futuro, Euro VI giocheranno un ruolo chiave nel definire le prospettive di vita dei motori diesel Aree di sviluppo Filtri antiparticolato closed loop Catalizzatori anti NOx Ulteriore aumento della pressione di iniezione. Riduzione del rapporto di compressione Modulabilità dell iniezione Controllo continuo dell EGR Continua evoluzione dei turbocompressori. Down-sizing. CHI (controlled auto ignition) HCCI (homogeneus charge compression ignition) LTC (LOW temperature ignition) Toyota D-CAT System

13 date 07/05/ page 13 Trasmissioni Trasmissioni a 6 o più marce in automatico ed in manuale Trasmissioni a variazione continua Doppia frizione

14 date 07/05/ page 14 Corpo vettura Aerodinamica Riduzione dei pesi Piattaforme

15 date 07/05/ page 15 Altro Elettronica di potenza Pneumatici a bassa resistenza di rotolamento Trattamenti avanzati gas combusti (catalizzatori DENOX / trappole o filtri antiparticolato) Recupero energia (dai gas di scarico / dalle frenate)

16 date 07/05/ page 16 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

17 date 07/05/ page 17 Combustibili alternativi La ricerca si sta già orientando a 360 sullo studio di combustibili alternativi in grado di migliorare la qualità e quantità delle emissioni. H2 CNG Bio-etanolo Bio-diesel Combustibili BTL alternativi GTL LPG

18 date 07/05/ page 18 Combustibili alternativi Bio-combustibili Bio-combustibili = Alternative ai combustibili fossili Fonti primarie = Materie prime da cui ricavare i bio-combustibili - Olio di colza - Olio di semi di girasole - BIO-DIESEL (FAME) Fatty Acid Metyl Ester Mix con gasolio (B-5, B10) (prima generazione) - Altre fonti primarie - BTL (Biomass to Liquid) Già programmata l introduzione di miscele con gasolio (seconda generazione) - Canna da zucchero - Barbabietola da zucchero - Grano - BIO-ETANOLO Mix con benzina Es. E-5, E-10, E-85

19 date 07/05/ page 19 Valutazione ambientale dei bio-combustibili Benzina Etanolo Diesel Bio-Diesel (1 ma generazione) Gas Naturale/ GTL Bio-Diesel (2 nda generazione) / BTL Gas Differenti tipi di ibrido Differenti tipi di Fuel Cells L etanolo da grano, il bio-diesel (prima e seconda generazione da legno) posseggono, insieme con l idrogeno da fonti rinnovabili, il maggior potentiale per contenere le emissioni di CO 2

20 date 07/05/ page 20 Resa per ettaro delle fonti primarie del bio-diesel (litri/ettaro) Arachidi : Colza : Soia : 450 Girasole : 950 Mais : 170 Jathropa : Cocco : Palma : Miscantus : Alghe : sperimentale

21 date 07/05/ page 21 Veicoli a bio-etanolo & Flex Fuel Sensori speciali nel sistema di alimentazione per analizzare la miscela e controllare l iniezione Sensori allo scarico per misurare il tenore di ossigeno e determinare il contenuto alcoolico

22 date 07/05/ page 22 Idrogeno Molti sono ancora i passi da compiere prima di poter giungere alla vettura ad idrogeno (H2) Tecnologia di produzione dell H2 economicamente ed ecologicamente sostenibile (well-to-wheel) Ricerca sui sistemi di stoccaggio dell idrogeno Ricerca sulle celle a combustibile (miglioramento dell affidabilità e riduzione dei costi) Rete distributiva Stazione di distribuzione dell Idrogeno - Yokohama

23 date 07/05/ page 23 Idrogeno Metodi di produzione dell idrogeno attualmente possibili o oggetto di ricerca Combustibili Fossili Reforming metano o cracking di combustibili pesanti come il petrolio (attualmente ca. 90%) Da processi di gassificazione del carbone o biomasse (ca. 7%) Elettrolisi Energia elettrica prodotta utilizzando combustibili fossili Energia eolica, geotermica, solare, correnti marine, maree, nucleare Processi fotobiologici Batteri geneticamente modificati, in grado di produrre idrogeno dalle attività metaboliche usando luce solare Decomposizione di Biomasse Attraverso l utilizzo di batteri in grado di produrre idrogeno durante la decomposizione di una varietà di biomasse

24 date 07/05/ page 24 Idrogeno Altro ostacolo all introduzione delle vetture a celle a combustibile è rappresentato dalla modalità di stoccaggio dell idrogeno a bordo Autonomia di esercizio Conformazione ed ingombro dei serbatoi Costo Gas compresso Idrogeno liquefatto Idruri metallici Idruri chimici Sodio Boroidruro Nanotecnologie Microsfere di cristallo Zeoliti On-board reforming

25 date 07/05/ page 25 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

26 date 07/05/ page 26 Auto elettriche Zero emissioni durante l uso Vantaggi Normative CO 2 ( fee parte da 20 per grammo) Silenziosità (3-4 volte inferiore dell auto tradizionale) In Italia le centrali elettriche, a parità di energia erogata, emettono circa 3 volte meno CO 2 e 5 volte meno inquinanti regolamentati) Autonomia Pesi delle batterie Tempi di ricarica Infrastrutture Costi Barriere

27 date 07/05/ page 27 Auto elettriche Stato dell arte delle batterie Cicli di ricarica Oggi Domani Auton. Km NI-CD /85 NA-NI-CL /130 Ioni di Litio /190 Litio Polimeri 350/ /180

28 date 07/05/ page 28 Auto elettriche Tempi di ricarica 6 8 ore attraverso la rete elettrica domestica minuti con appropriate stazioni di ricarica ( alto voltaggio / alto amperaggio)

29 date 07/05/ page 29 Altri sistemi di accumulo dell energia - Supercondensatori - Supervolani

30 date 07/05/ page 30 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

31 date 07/05/ page 31 Lohner Porsche 1899 Prima vettura ibrida Motori elettrici nelle ruote

32 date 07/05/ page 32 Sistemi a trazione ibrida elettrica EV Drive Motor-assist Motor-assist Regenerative braking Regenerative braking Regenerative braking Engine stop Engine stop Engine stop Engine stop Micro hybrid Mild hybrid Full hybrid

33 date 07/05/ page 33 Veicoli ibridi elettrici Definizione di veicolo ibrido - Dotato come minimo di due sistemi di propulsione o sorgenti di energia Definizione di veicolo ibrido elettrico - Dotato di motore elettrico più motore termico Tre tipologie - Veicoli ibridi paralleli Un motore elettrico e un motore a combustione interna forniscono trazione alle ruote - Veicoli ibridi in serie Ruote condotte da un motore elettrico Energia da una batteria o da un generatore condotto da un motore a combustione interna - Ibridi combinati Diversi livelli di ibridizzazione (da mild a strong ) Source: Van Mierlo Joeri Milieuvriendelijke voertuigen, VWEC 2006

34 date 07/05/ page 34 Perchè gli ibridi sono efficienti Ripartenza Guida normale Accelerazione Decelerazione Arresto Motore termico spento & Trazione elettrica Motore termico Motore elettrico + Motore termico (surplus di potenza) Massima efficienza del motore termico Ricarica della batteria Recupero di energia Motore termico spento Consumo nullo Serbatoio carburante Batteria Energy source

35 date 07/05/ page 35 Alcune Ibride Toyota (11 modelli) Lexus (3 modelli) Porsche Cayenne Hybrid Panamera Audi Q7 Hyundai Havante Sedane LPG Hybrid Gruppo PSA Diesel Hybrid Tutte le Case stanno sviluppando soluzioni ibride

36 date 07/05/ page 36 Possibile abbinamento a combustibili diversi La tecnologia ibrida consente la diversificazione delle fonti energetiche Alternative energetiche Petrolio Carbone Gas naturale Carburanti sintetici Carburanti gassosi convenzionali Veicoli convenzionali HV Biomasse Solare, eolico Idrogeno FC Maree, geotermia Elettricità EV Idraulico, nucleare

37 date 07/05/ page 37 Sommario Le emergenze ambientali ed energetiche Lo sviluppo tecnologico nel breve termine - Motori a combustione interna - Combustibili/vettori energetici alternativi - Auto elettriche - Trazione ibrida Conclusioni

38 date 07/05/ page 38 La vettura ecologica del futuro

39 date 07/05/ page 39 Conclusioni Ritengo che a breve/medio termine non ci sarà una soluzione unica ma, in linea di massima, la ricerca si orienterà su: Riduzione delle dimensioni e dei pesi Sviluppo degli attuali propulsori per ottimizzare consumi ed emissioni Utilizzo di carburanti alternativi Sviluppo delle auto ibride/elettriche Sviluppo del vettore idrogeno

40 date 07/05/ page 40 Il Futuro dell Auto Ing. Francesco Caracciolo UNRAE Grazie per l attenzione Roma, 29/04/2010